Согласно одной из гипотез, темная материя состоит из очень легких частиц с массой менее одного электронвольта. Такие частицы ведут себя скорее как волны, чем как привычные нам корпускулы. Именно на поиск этой «легкой» темной материи нацелено новое исследование ученых из Токийского университета и Университета Тюо.
Традиционно физики искали тяжелые частицы темной материи, пытаясь зафиксировать слабые вибрации или сигналы, возникающие при столкновении этих частиц с атомами или ядрами внутри детекторов. Так можно измерить скорость частиц, хотя технически это крайне сложно. Однако для легкой темной материи этот метод не работает.
«Мы обнаружили, что можем измерять скорость легкой темной материи не по пространственно протяженным сигналам, а с помощью пространственно распределенных детекторов», — объясняет соавтор исследования Хадзимэ Фукуда.
Идея неожиданно пришла из смежной области. «Я просматривал недавние статьи по квантовой физике на arXiv и заметил, что распределенное квантовое зондирование стало довольно горячей темой, — рассказывает Фукуда. — Мы задались вопросом, можно ли применить эту технологию в нашей области — физике высоких энергий — и пришли к идее использовать ее для определения темной материи».
Квантовые сенсоры — это высокочувствительные системы, использующие квантовомеханические эффекты для регистрации сверхслабых сигналов. Ученые предложили воспользоваться сетью таких сенсоров вместе со специальным квантовым протоколом измерений для поиска легких частиц темной материи. Данные с нескольких детекторов обрабатываются как квантовая информация, из которой можно извлечь сведения о скорости и направлении движения темной материи.
Анализ показал, что такой подход значительно повышает чувствительность сенсоров по сравнению с существующими методами. «Ранее предлагались другие способы поиска легкой темной материи — например, с использованием вытянутого детектора или классического массива детекторов, — отмечает Фукуда. — Однако эти методы зависят от конкретного типа взаимодействия, тогда как наш подход с квантовым массивом сенсоров гораздо более универсален и обеспечивает лучшую чувствительность».
В дальнейшем команда планирует усовершенствовать метод и попытаться измерять не только скорость, но и распределение частиц темной материи.
Ранее физики разгадали загадку с аксионами из «Теории большого взрыва».